Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Сентября 2013 в 23:16, курс лекций
Основными классами неорганических соединений являются оксиды, кислоты, соли и основания.
Оксиды представляют собой соединения элементов с кислородом. Оксиды подразделяют на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие оксиды делят на основные (образуют соли с кислотами), кислотные (образуют соли с основаниями) и амфотерные (образуют соли как с кислотами, так и с основаниями). Основным оксидам отвечают основания, кислотным – кислоты, а амфотерным – гидраты, которые проявляют как кислотные, так и амфотерные свойства. Кислотные оксиды представляют собой ангидриды кислот (SO2 – серный ангидрид, N2O5 – азотный ангидрид).
Основные классы химических соединений, номенклатура.
3
Основные законы общей химии. Стехиометрия. Химический эквивалент.
5
Газовые законы. Основные газовые процессы.
7
Строение атома.
9
Строение атома (заключение). Химическая связь. Основные типы химической связи.
12
Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
16
Основы термодинамики. I,II и III начало термодинамики.
18
Основы термодинамических расчетов.
21
Химическая кинетика и химическое равновесие.
23
Теория электролитической диссоциации. Электролиты.
26
Водородный показатель кислотности и щелочности водных растворов. Растворимость.
28
Гидролиз солей.
32
Окислительно-восстановительные реакции.
34
Растворы. Способы выражения их концентрации.
37
Классификация растворов. Коллигативные свойства растворов.
40
Основы химии промышленных взрывчатых веществ.
42
Расчеты кислородных балансов ВВ и тепловых эффектов реакций взрыва.
45
Самым слабым электролитом из приведенных является H2O2, а самым сильным – НСООН.
Вант-Гофф установил, что изотонический коэффициент i выражается дробными числами, которые с разбавлением раствора возрастают, приближаясь к целым числам. Последнее свидетельствует о неполноте диссоциации электролитов на ионы, т.к. в противном случае осмотическое давление (и пропорциональные ему величины) всегда было бы в целое число раз больше значений, наблюдаемых в растворах неэлектролитов. Аррениус объяснил это тем, что только часть электролита диссоциирует на ионы и ввел понятие степени диссоциации a (отношение числа молекул nдис, распавшихся на ионы, к общему числу молекул nS в растворе):
.
Позже было установлено, что все электролиты можно разделить на две группы: слабые и сильные. Сильные электролиты в водных растворах диссоциированны практически полностью. Понятие степени диссоциации к ним практически не применимо, а отклонение изотонического коэффициента от целочисленных значений объяснимо несколько иными причинами. Слабые электролиты диссоциируют в водных растворах лишь частично, и в растворе имеет место динамическое равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами.
Для оценки состояния ионов в растворе вводят понятие активности – эффективной, условной концентрации иона, в соответствии с которой он действует при химических реакциях. Активность иона а равна его концентрации с, домноженной на коэффициент активности f: a=f·с. Коэффициенты активности различных ионов различны. Они изменяются при изменении условий, например, при изменении концентрации раствора.
Если f<1, то есть взаимодействие между ионами, приводящее к их взаимному связыванию.
Если f»1, то взаимодействие между ионами носит слабый характер.
В разбавленных растворах природа ионов мало влияет на значения коэффициентов активности. Приближенно считают, что коэффициент активности данного иона зависит только от его заряда и от ионной силы раствора I, которая является полусуммой произведений концентраций всех находящихся в растворе ионов на квадрат их заряда:
I=0,5·
Лекция №11: Водородный показатель кислотности и щелочности водных растворов. Ионное произведение воды. Растворимость.
Для выражения кислотности или щелочности раствора используют величину водородного показателя (рН), равную десятичному логарифму концентрации ионов водорода [H+], взятому с обратным знаком:
рН=-lg[H+], где [H+]=[моль/л].
Таким образом, по характеру среду растворы можно подразделить на кислые (растворы, в которых концентрация ионов водорода больше концентрации гидроксид-ионов), щелочные (растворы, в которых концентрация ионов водорода меньше концентрации гидроксид-ионов) и нейтральные (растворы, в которых концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-ионов).
Характер среды (раствора) |
Величина рН |
Концентрация [Н+], моль/л |
кислая |
<7 |
>10-7 |
нейтральная |
~7 |
~10-7 |
щелочная |
>7 |
<10-7 |
Существуют различные методы измерения рН. Приближенно реакцию среды возможно определить при помощи специальных реактивов, или индикаторов, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространёнными индикаторами являются: метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин. В следующих таблицах даны характеристики основных применяемых индикаторов:
Таблица 1. Кислотно-основные индикаторы.
Название индикатора |
Цвет индикатора в различных средах | ||
в кислой |
в нейтральной |
в щелочной | |
Метиловый оранжевый |
красный (рН<3,1) |
оранжевый (3,1<рН<4,4) |
желтый (рН>4,4) |
Метиловый красный |
красный (рН<4,2) |
оранжевый (4,2<рН<6,3) |
желтый (рН>6,3) |
Фенолфталеин |
бесцветный (рН<8,0) |
бледно-малиновый (8,0<рН<9,8) |
малиновый (рН>9,8) |
Лакмус |
красный (рН<5,0) |
оранжевый (5,0<рН<8,0) |
желтый (рН>8,0) |
Т.о. сумма водородного и гидроксильного показателей в водных растворах при 25°С равна 14.
Однако следует учитывать, что каковой бы ни была величина реакции раствора (рН), произведение концентраций [Н+]·[ОН-] остаётся неизменным. Величина ионного произведения воды может измениться только при изменении температуры, но не при увеличении [Н+] или [ОН-].
Расчет растворимости солей и минералов
Насыщенным называют раствор, находящийся в равновесии с избытком растворяемого вещества. При заданных условиях концентрация насыщенного раствора не изменяется во времени. Её называют растворимостью и обозначают заглавной буквой английского термина «Solubility» S. Растворимость зависит от температуры и состава раствора. Обычно её рассчитывают на основе термодинамических констант. Рассмотрим равновесие между солью, состоящей из катионов металла Mz+ и анионов кислотного остатка Az-, и её насыщенным раствором. При этом учтем, что все соли - сильные электролиты, полностью диссоциирующие в растворе.
Мn+Аn-(т)=n+Мz+(р-р)+n-Аz-(р-
Константу данного равновесия называют
произведением растворимости
L = a+n+×a-n- = [Mz+]n+×[Az-]n-×g±n, (2)
где n = n+ + n- , а среднеионный коэффициент активности g± = (g+n+×g-n-)1/n. Выражение (2) используют для расчета концентрации ионов в насыщенных растворах. Значения произведений растворимости берут в справочнике или вычисляют по величине энергии Гиббса растворения соли:
Растворимость в бинарной системе соль - вода
В этом случае, согласно уравнению (1), [Mz+]=n+S и [Az-]=n-S.
Подставим эти соотношения в (2). L=(n+S)n+(n-S)n-×g±n. После преобразования получим: L=(n±g±S)n, где среднеионный стехиометрический коэффициент равен: n±=(n+n+×n-n-)1/n, а n++n-=n.
Отсюда получаем формулу для расчета растворимости соли в воде:
Если растворимость соли ниже 10-4 моль/л, то среднеионный коэффициент активности можно принять равным 1.
Растворимость в многокомпонентной системе в отсутствие
одноименного иона
Одноименными называют ионы, входящие в состав рассматриваемого труднорастворимого соединения. Если таковые в многокомпонентном растворе отсутствуют, то расчет растворимости ведут также по формуле (5), но с учетом ионной силы раствора. Вкладом труднорастворимого соединения в ионную силу пренебрегают, если его растворимость более, чем в 100 раз ниже концентрации других компонентов раствора. Ионную силу вычисляют как , а коэффициент активности как или , подставляя в последние вместо квадрата заряда иона модуль произведения зарядов ионов, образующихся при растворении труднорастворимой соли.
Следует подчеркнуть, что с ростом ионной силы g± при не высоких концентрациях электролита понижается, а растворимость увеличивается.
Растворимость в многокомпонентной системе с одноименными ионами
Рассмотрим расчет растворимости соли Мn+Аn- в системе, содержащей хорошо растворимую соль M¢Аn¢ с одноименным анионом. Пример такой системы: PbCl2 - NaCl - H2O. В этом случае используют формулу (2). Катионы Mz+ переходят в раствор только из осадка, поэтому их концентрация определена растворимостью: [Mz+] = n+S. Однако концентрация анионов в растворе складывается из двух составляющих, обусловленных, во-первых, растворимостью труднорастворимой соли n-S, и, во-вторых, концентрацией соли М¢An¢, которую обозначим n¢С¢. После подстановки в формулу (2) получим:
L = (n+S)n+(n-S + n¢C¢)n-×g±n. (6)
Растворимость находят путем решения степенного уравнения (6). Если растворимость меньше концентрации соли с одноименным ионом в 100 и более раз, то есть n-S < 0,01n¢C¢, то возможны упрощения. Во-первых, пренебрегают в сумме меньшим слагаемым и получают:
Во-вторых, при расчете коэффициента активности пренебрегают вкладом труднорастворимой соли в ионную силу. Аналогично вычисляют растворимость в присутствии одноименного катиона. Следует отметить, что растворимость в присутствии одноименных ионов всегда понижается, так как их концентрация в (7) стоит в знаменателе дроби.
Лекция №12: Гидролиз солей.
Гидролизом солей является процесс химического взаимодействия солей с водой. Таким образом, гидролизом называют взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединятся с составными частями воды. Например, следующие реакции являются реакциями гидролиза:
KCN+H2O=HCN+KOH
AlCl3+H2O=Al(OH)Cl2+HCl
Гидролизу подвергаются следующие соли, образованные:
а) слабой кислотой и слабым основанием;
б) слабой кислотой и сильным основанием;
в) сильной кислотой и слабым основанием.
Соли же, образованные сильной кислотой и сильным основанием, не гидролизуются, а процесс нейтрализации в этом случае сводится к следующему:
Н++ОН- = Н2О. Следует учитывать, что обратная реакция диссоциации воды на ионы протекает в мизерной степени.
Слабыми кислотами являются: HNO2, H2SO3, H2O2, CH3COOH, H2SiO3, HF, H2CO3, HCN, H2S, H3PO4, NH4OH. Сильными кислотами являются: HNO3, H2SO4, HCl, HBr, HJ, НClO4, НMnO4. Cильными основаниями являются все щелочи кроме NH4OH (например КОН, NaOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2).
Рассмотрим подробнее основные три случая гидролиза солей:
1. Гидролиз соли, образованной слабой кислотой и сильным основанием (на примере ацетата натрия):
CH3COONa+H2O=CH3COOH+NaOH
CH3COO- +H2O=CH3COOH+OH-
В данном случае гидролизуется анион соли, а реакция сопровождается образованием ионов ОН-. Реакция среды – щелочная.
2. Гидролиз соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой:
NH4NO3+H2O=NH4OH+HNO3
NH4++H2O=NH4OH+H+
Здесь гидролизуется катион соли и реакция сопровождается образованием ионов Н+. Реакция среды – кислая.
3. Гидролиз соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием:
CH3COONH4+H2O=CH3COOH+NH4OH
CH3COO- + NH4+ +H2O=CH3COOH+NH4OH
Здесь гидролиз идёт и по катиону, и по аниону с образованием сразу двух слабых электролитов. Среда в растворах таких солей зависит от относительной силы образующихся в результате гидролиза кислоты и основания, но в целом близка к нейтральной.
4. Соль, образованная сильной кислотой и сильным основанием, не гидролизуется:
KNO3+H2O¹
KClO4+H2O¹
Гидролизу подвергается не вся соль, а лишь её часть, т.е. в растворе устанавливается равновесие между солью и образующими её кислотой и основанием. Поэтому часть вещества, подвергающаяся гидролизу, характеризуется степенью гидролиза. Степень гидролиза зависит от константы равновесия, температуры и концентрации соли, а также от её природы. Природа соли проявляется в величине константы гидролиза соли.